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SHOM – TELECOM Bretagne – 29/05/2008 Salinité et mesures dindice : vers un nouveau capteur Ateliers Expérimentation Instrumentation – 2008 Toulouse les.

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1 SHOM – TELECOM Bretagne – 29/05/2008 Salinité et mesures dindice : vers un nouveau capteur Ateliers Expérimentation Instrumentation – 2008 Toulouse les mai 2008 Salinité et mesures dindice : vers un nouveau capteur. M. Le Menn*, D. Malardé**, ZY Wu**, P. Grosso**, J.-L. de Bougrenet de la Tocnaye** * Service Hydrographique et Océanographique de la Marine ** TELECOM - Bretagne

2 SHOM – TELECOM Bretagne – 29/05/08 Salinité et mesures dindice : vers un nouveau capteur 2/20 Sommaire 1 - La salinité : quest-ce exactement ? 2 - La salinité : comment la mesurer ? 3 - La salinité : y a-t-il dautres solutions pour la mesurer ? 4 - Mise au point dun réfractomètre. 5 - Principe de fonctionnement. 6 - Résultats préliminaires obtenus. 7 – Conclusion. 8 – Perspectives.

3 SHOM – TELECOM Bretagne – 29/05/08 Salinité et mesures dindice : vers un nouveau capteur 3/20 La salinité : quest-ce exactement? La salinité désigne la masse totale de substances solides dissoutes par kilogramme deau de mer. Masse difficile à déterminer dans la pratique. Protocole opératoire adopté en 1902 par une commission internationale pour approcher la valeur de la masse de substances dissoutes. La salinité devient alors : la masse en grammes de substances solides contenues dans un kilogramme deau de mer, les carbonates étant transformés en oxydes, les bromures et iodures remplacés par leur équivalent en chlorures, les matières organiques étant oxydées. Définition de la salinité absolue S a qui sexprime en g/kg.

4 SHOM – TELECOM Bretagne – 29/05/08 Salinité et mesures dindice : vers un nouveau capteur 4/20 La salinité : comment la mesurer ? Définition de 1902 impossible à utiliser pour des mesures de routine Adoption dune méthode de mesure basée sur la chlorinité. La chlorinité est définie comme étant la masse (en g) des halogènes contenus dans un kilogramme deau de mer, les ions bromure et iodure étant remplacés par leurs équivalents en chlorure. De 1902 jusquà 1962 : S = 0,03 + 1, Cl en où Cl = chlorinité. De 1962 à 1969 : S = 1, Cl à partir de travaux sur la chlorinité, le rapport de conductivité, la salinité et la masse volumique. De 1969 à 1978 : S = 1, , Ag en pour éliminer les variations de chlorinité liées aux progrès dans la connaissance des masses atomiques de Cl et Ag.

5 SHOM – TELECOM Bretagne – 29/05/08 Salinité et mesures dindice : vers un nouveau capteur 5/20 La salinité : comment la mesurer ? La réalisation de capteurs de conductivité étant rendu possible, une nouvelle définition a été adoptée en 1978, basée sur la mesure de rapports de conductivité. Comme elle ne permettait toujours pas de calculer des valeurs de salinité en g/kg, les salinités calculées avec la Practical Salinity Scale de 1978 sont des salinités pratiques. Toutes les eaux qui ont la même conductivité ont alors la même salinité pratique même si leur composition et leur chlorinité sont différentes. Moyen adéquat pour déterminer les propriétés physiques et thermodynamiques des eaux de mer, sauf que les composés non électrolytiques comme Si(OH) 4, NO 3 ou CO 2 ne sont pas détectés par les capteurs de conductivité alors quils influent sur les propriétés physiques des eaux de mer.

6 SHOM – TELECOM Bretagne – 29/05/08 Salinité et mesures dindice : vers un nouveau capteur 6/20 La salinité : comment la mesurer ? On estime que pour S = 35, lerreur S a – S = 0,16 (ou g/kg)… alors quil est possible détalonner les capteurs de conductivité pour avoir une incertitude sur S de 0,003 ! Autre problème : la conductivité électrique dépend à plus de 80 % de la température du milieu capteurs de conductivité très sensibles à la température (propriété utilisée pour les étalonner) ; artéfacts dans le calcul de la salinité lorsquil nest pas possible daligner les temps de réponse des capteurs de température et de conductivité (ordre de grandeur des erreurs : 0,01 à 1 sur S).

7 SHOM – TELECOM Bretagne – 29/05/08 Salinité et mesures dindice : vers un nouveau capteur 7/20 La salinité : y a-t-il dautres solutions pour la mesurer ? Oui! Il existe un moyen pour réduire les erreurs mentionnées précédemment : mesurer lindice de réfraction de leau. Millard et Seaver ont montré en 1990 quun calcul de masse volumique réalisé à partir dune mesure dindice est 4 à 5 fois plus juste que sil est réalisé à partir dune mesure de conductivité En fait, lindice de réfraction n est en relation directe avec la masse volumique à travers la relation de Lorentz – Lorenz (1881) et donc avec la salinité absolue. En 1990, Millard et Seaver ont mis au point un algorithme qui relie n à S, la température, la pression et la longueur donde.

8 SHOM – TELECOM Bretagne – 29/05/08 Salinité et mesures dindice : vers un nouveau capteur 8/20 Mise au point dun réfractomètre Pour mettre en pratique cette relation, il manque un capteur. Une coopération lancée en 2006 entre lécole TELECOM Bretagne à travers son département doptique, lUMR 6082 Foton, et le SHOM, a débouché sur la mise au point dun capteur de mesure de lindice de réfraction de leau de mer. Ce capteur a été pensé pour être dune réalisation simple et peu coûteuse. Les contraintes de température et de pression du milieu océanique ont également été prises en compte.

9 SHOM – TELECOM Bretagne – 29/05/08 Salinité et mesures dindice : vers un nouveau capteur 9/20 Mise au point dun réfractomètre Il se présente sous la forme de 2 prismes de verre dont les variations dindice avec la température se compensent. Un des prismes supporte une diode Laser alors que sur lautre est fixé un capteur de position du type PSD (Position Sensitive Device). Verres Pièce permettant de régler et fixer le laser Faisceau laser Support pour fixer la structure du capteur Capteur PSD et son électronique Laser Brevet Européen n° PTC/EP2006/064492

10 SHOM – TELECOM Bretagne – 29/05/08 Salinité et mesures dindice : vers un nouveau capteur 10/20 Principe de fonctionnement Lindice de réfraction est défini comme étant le rapport de la vitesse de la lumière dans le vide sur sa vitesse dans le milieu traversé. Sa valeur est donc toujours supérieure à 1. Elle varie entre 1,33 et 1,34 pour leau de mer ce qui implique de disposer dinstruments de grande résolution pour la mesurer et obtenir une résolution suffisante sur la salinité. Cest un des défis à surmonter pour obtenir un instrument compétitif par rapport aux méthodes traditionnelles. Le dessin du réfractomètre et le choix du PSD ont été optimisés pour répondre au mieux à cette contrainte.

11 SHOM – TELECOM Bretagne – 29/05/08 Salinité et mesures dindice : vers un nouveau capteur 11/20 Principe de fonctionnement Il répond aux lois de la réfraction : la direction de propagation de la lumière est modifiée en fonction du rapport entre les indices n 1 et n 2 des milieux traversés. Cette déviation se traduit par un changement de position du spot Laser sur le PSD. Une mesure de tension et un calcul de barycentre permettent de retrouver cette position à 0,3 μm près. n2n2 n1n1 n0n0

12 SHOM – TELECOM Bretagne – 29/05/08 Salinité et mesures dindice : vers un nouveau capteur 12/20 Principe de fonctionnement La position absolue du centre du faisceau peut être modélisée à laide dune technique de calcul de variations différentielles des angles de réfraction. Â n2n2 n o n1n1 â' î â r Faisceau réfracté où : - Δp est la variation de position qui est fonction des paramètres du montage - s est la sensibilité du PSD.

13 SHOM – TELECOM Bretagne – 29/05/08 Salinité et mesures dindice : vers un nouveau capteur 13/20 Résultats préliminaires obtenus. La fabrication dun prototype expérimental a permis dobtenir des résultats en laboratoire. Essais en température et salinité menés dans cuve détalonnage du laboratoire de métrologie du SHOM Permet dobtenir une stabilisation en température meilleure que 1 mK durant les mesures Températures mesurées à ± 0,0021 °C Salinité à ± 0,0025 avec Portasal 4 salinités différentes ont été testées entre 15 et 25 °C.

14 SHOM – TELECOM Bretagne – 29/05/08 Salinité et mesures dindice : vers un nouveau capteur 14/20 Résultats préliminaires obtenus. Les premières mesures montrent que le défi sur la résolution est en passe dêtre gagné : Un filtrage adéquat des valeurs de tension permet dobtenir pour une salinité constante de 34,253, des écarts types sur lindice de 7 à , pour différentes températures.

15 SHOM – TELECOM Bretagne – 29/05/08 Salinité et mesures dindice : vers un nouveau capteur 15/20 Résultats préliminaires obtenus. A linverse, si on travaille à température constante (24,96 °C), cette résolution sur lindice permet dobtenir des écarts types de 3 à sur la salinité. Cela nest pas encore comparable avec la résolution que lon peut atteindre avec les capteurs de conductivité (2 à ) mais ça permet déjà denvisager des applications intéressantes. De plus, compte tenu de linexactitude intrinsèque des mesures de S par rapport à S a, la résolution des capteurs de conductivité na pas réellement de sens.

16 SHOM – TELECOM Bretagne – 29/05/08 Salinité et mesures dindice : vers un nouveau capteur 16/20 Résultats préliminaires obtenus. Lautre défi à relever concerne la linéarité des mesures et lexploitation qui pourra être faite du capteur pour réaliser des mesures absolues dindice, afin daméliorer les bases de données existantes et les relations indice – température – salinité - pression et longueur donde. Les variations de tension obtenues pour les quatre salinités testées en fonction de la température permettent destimer un dV/dS de 0,1268 constant à ± 0,0009 V/psu près (à 1 σ) ce qui montre une très bonne linéarité du capteur en fonction de la salinité. Il reste à réaliser ces tests sur toute la gamme des températures océaniques. 34,253 29,995 19,960 Eau distillée

17 SHOM – TELECOM Bretagne – 29/05/08 Salinité et mesures dindice : vers un nouveau capteur 17/20 Résultats préliminaires obtenus. La même exploitation réalisée en température permet dobtenir un dV/dT = -0,062 ± 0,004 V/°C (à 1 σ). La linéarité de la réponse est moins bonne car les variations dindice en fonction de la température ne sont pas linéaires, ce qui nest pas le cas pour la salinité.

18 SHOM – TELECOM Bretagne – 29/05/08 Salinité et mesures dindice : vers un nouveau capteur 18/20 Résultats préliminaires obtenus. Par contre, ces résultats montrent une sensibilité en fonction de la salinité 2 fois plus grande que la sensibilité en température : dV/dS = 0,1268 alors que dV/dT = -0,062. Influence de la salinité sur la réponse du capteur : 67,1 %. Influence de la température sur la réponse du capteur : 32,9 %. Cela montre bien lintérêt de ce type de capteur : leur réponse est proportionnelle à la masse volumique du milieu cest-à-dire à la masse totale de substances dissoutes, à linverse des capteurs de conductivité qui sont avant tout des capteurs de… température. (conductivité dépendante à plus de 80 % de T).

19 SHOM – TELECOM Bretagne – 29/05/08 Salinité et mesures dindice : vers un nouveau capteur 19/20 Conclusion Avec ce prototype, la preuve est faite de : - lintérêt des mesures dindice pour approcher une mesure de la salinité absolue qui est un élément essentiel pour déterminer avec exactitude les propriétés thermodynamiques de locéan. - la possibilité de réaliser un capteur de mesure dindice de conception simple, ce qui est un gage de fiabilité et de moindre coût. Il reste à susciter lintérêt de la communauté des océanographes à ce nouveau type de capteur et à cette nouvelle approche de la mesure de la salinité pour encourager un développement industriel.

20 SHOM – TELECOM Bretagne – 29/05/08 Salinité et mesures dindice : vers un nouveau capteur 20/20 Perspectives Ce travail a été lancé alors que, indépendamment, un groupe de travail SCOR/IAPSO n° 127 se réunit pour améliorer les relations permettant le calcul des propriétés thermodynamiques de locéan. A partir de travaux de F. Millero, il propose de définir une salinité de référence S R = (35,16504/35).S qui permettra de corriger les salinités pratiques S mesurées et de remonter à la salinité absolue S A par des corrections empiriques du type S A = S R + δS A où les δS A seront déterminées par des analyses chimiques ponctuelles selon les régions du globe. Ce capteur optique est un moyen daccéder directement et de façon précise à la valeur de δS A, pour peu que la communauté des océanographes adopte cette nouvelle façon de mesurer la salinité.


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